新二維材料像素傳感器 弱光下拍出超清晰相片

【2022年12月30日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)人們一直在探究如何在光線不足的情況下,拍出更清晰的照片。近期,美國賓州大學研發一款由二維材料做出來的新型像素傳感器,能在低光時拍出清晰的照片,且耗能比傳統的傳感器來的更低。

擁有270多年歷史的賓州大學(University of Pennsylvania)的這項研發成果發表在2022年11月的《自然》雜誌上。

該研究團隊發現,二硫化鉬(MoS 2)材料做成的傳感器處理(常見於攝像頭),可以減少許多機器在視覺應用上的能源和硬件負擔,這是目前最先進的有源像素傳感器(APS)技術中所缺乏的。

他們使用一種只有一個原子或幾個原子厚度的單層二硫化鉬光電晶體管陣列材料(一種半導體並且對光敏感),並使用低工耗且緊密型的二維(2D)APS技術。該技術在單個設備中集成了圖像捕獲(感測)和圖像處理(計算)功能,使得拍照時更加清晰且功耗更低。

這種材料做出來的產品特性,包括對低光源的敏感性,對傳感器的動態範圍很重要。動態範圍一般是指,相機在低光源和強光源下透過感光元件「看到」物體的能力。人眼的動態範圍,會比一般的相機來得更好,因此能在夜間觀察到更多的星星或其它天體。

這項研究的主要作者、工程科學與力學副教授薩普塔什·達斯(Saptarshi Das)對賓大的新聞社解釋說,「拍攝時相機會對照片進行動態範圍和圖像處理,使用戶能夠在各種不利於攝影的條件下拍攝出清晰的照片。圖像處理指的是將那些拍攝的干擾物(霧氣、雨水)清除,讓照片變得更清晰,而動態範圍則可以拍一張背景滿是星星的夜景照片」。

實驗中,研究人員發現單層二硫化鉬光電晶體管材料,擁有強大的信號轉換、電荷到電壓之間的轉換和數據傳輸能力。使其成為APS理想材料,該傳感器可以同時進行光傳感和傳感器內圖像處理,即對原始拍攝的照片進行降噪,使照片變得更加清晰和精美。

論文中提到,他們用該材料開發了一款只有不到0.09平方公分的傳感器,裡面含有900個像素,而每個像素大小約100 微米左右。這比當今大多CMOS圖像傳感器對於光要敏感得多,且像素密集度也更大。另外,每個像素需要的能量更小,這意味著手機或相機的攝像頭可節省更多能源。

賓大研究生研究助理阿基爾·多達(Akhil Dodda)對賓大的新聞社表示,「由於拍攝大量圖像時,需要耗費更多的能源成本,若這種材料把能源成本降低100倍,將能拍攝更多圖像,這會使人們在攝影時更具有連續性,這正是材料創新發揮作用的地方。」

達斯教授說,「當你用手機拍攝一張照片時,相機會在手機中進行優化處理。這使得照片有時候會比你用眼睛看到的更好。使用那種材料開發的下一代手機攝像頭,就可能同時進行圖像捕捉與圖像處理,這是老一代相機中沒有的。」

除了在未來實現頂級手機攝像頭外,該團隊還設想他們改進的傳感器技術可以用於其它方面,包括將更好的光傳感器用於物聯網和工業4.0應用上。對此,多達則補充說,「在物聯網時代機器需要透過大量的傳感器識別物體,但傳統傳感器消耗大量能源,因此開發一種非常節能的傳感器就變得十分重要。」

「工業4.0應用」所指的是工業結合著傳統行業、人工智能(AI)、雲儲存和網路,目標是通過智能自動化開發,使工業達到智能自動化流程。

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